Preliminary design and sizing of High-Altitude airships featuring ionic plasma thrusters

This thesis presents a novel methodology for designing and evaluating the feasibility of a solar-powered High-Altitude Airship (HAA) equipped with advanced ionic plasma thrusters. The airship is intended to operate autonomously, ascending through the troposphere and stratosphere, and maintaining station-keeping at high altitudes for extended periods. Given the current state of technology, electrically-powered drones typically exhibit limited range and endurance. Hence, a solar-powered Lighter-Than-Air (LTA) vehicle could present a significant advantage in applications requiring extended airborne operations. The study introduces the use of multistaged ducted (MSD) Electro-Aerodynamic (EAD) thrusters, characterized in detail to enhance understanding of their performance. A model for these thrusters was developed, integrating them into the airship's design. The power requirements and feasibility of the airship were assessed using low-fidelity drag prediction models and a discrete curved paving model for the solar array. Previous research has demonstrated that environmental conditions, such as wind patterns and solar radiation, vary significantly with geographical location and date. These factors are crucial in determining parameters like weight and overall dimensions. Therefore, models are developed to simulate these environmental behaviors universally, independent of specific dates or geographical locations on Earth. An open-loop routine was created to rapidly generate airship layouts, including size, weight, power characteristics and cost, facilitating feasibility assessments. This routine iterates to optimize the design, minimizing overall system weight while ensuring energy balance and buoyancy-weight equilibrium. The culmination of this development also enables the treatment of virtually any flight mission using the same design procedure.

Questa tesi presenta una metodologia innovativa per la progettazione e la valutazione della fattibilità di un dirigibile ad alta quota (HAA) alimentato a energia solare e dotato di avanzati propulsori a plasma ionico. Il dirigibile è destinato a operare in modo autonomo, salendo attraverso la troposfera e la stratosfera e mantenendo lo stazionamento a quote elevate per periodi prolungati. Dato lo stato attuale della tecnologia, i droni elettrici generalmente presentano una portata e una durata limitate. Pertanto, un veicolo più leggero dell'aria (LTA) alimentato a energia solare potrebbe offrire un vantaggio significativo in applicazioni che richiedono operazioni aeree prolungate. Lo studio introduce l'uso di propulsori elettro-aerodinamici (EAD) multistadio intubati (MSD), caratterizzati in dettaglio per migliorare la comprensione delle loro prestazioni. È stato sviluppato un modello per questi propulsori, integrandoli nel progetto del dirigibile. I requisiti di potenza e la fattibilità del dirigibile sono stati valutati utilizzando modelli di previsione della resistenza a bassa fedeltà e un modello di pavimentazione curva discreta per i pannelli solari. Ricerche precedenti hanno dimostrato che le condizioni ambientali, come l'andamento dei venti e la radiazione solare, variano significativamente con la posizione geografica e la data. Questi fattori sono cruciali per determinare parametri come il peso e le dimensioni complessive. Pertanto, sono stati sviluppati modelli per simulare questi comportamenti ambientali in modo universale, indipendentemente da date specifiche o posizioni geografiche sulla Terra. È stata creata una routine a ciclo aperto per generare rapidamente layout del dirigibile, inclusi dimensioni, peso, caratteristiche di potenza e costi, facilitando le valutazioni di fattibilità. Questa routine viene iterata per ottimizzare il progetto, minimizzando il peso complessivo del sistema assicurando allo stesso tempo l'equilibrio energetico e il bilancio di portanza-peso. Il risultato finale di questo sviluppo consente anche di trattare praticamente qualsiasi missione di volo utilizzando la stessa procedura di progettazione.